高朝暉，張 琦，陳金勇，顏 博

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)是航天地面應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行的核心樞紐，但以往系統(tǒng)的研制只針對(duì)一型衛(wèi)星，基本不具備可復(fù)用性［1－3］。隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)量逐年增多，如果沿用以往的技術(shù)路線，針對(duì)每型衛(wèi)星進(jìn)行任務(wù)管控系統(tǒng)研制，不僅會(huì)增加工程的開(kāi)發(fā)周期、增加開(kāi)發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，還造成人力資源和財(cái)力的嚴(yán)重浪費(fèi)。另外，現(xiàn)階段我國(guó)衛(wèi)星地面系統(tǒng)的建設(shè)采取的是增量分步驟式的開(kāi)發(fā)方式，需要更改、維護(hù)大量代碼，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大打折扣。因此，提高衛(wèi)星管控系統(tǒng)的復(fù)用率和系統(tǒng)穩(wěn)定性勢(shì)在必行。

結(jié)合任務(wù)管控系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)研究“平臺(tái)/插件”軟件架構(gòu)，通過(guò)剝離系統(tǒng)的基礎(chǔ)、核心功能和業(yè)務(wù)，構(gòu)建衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)和一系列可擴(kuò)展的功能插件，達(dá)到在不影響已有系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，以插件的方式完成后續(xù)衛(wèi)星任務(wù)管控功能的擴(kuò)充和維護(hù)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 “平臺(tái)/插件”架構(gòu)的基本原理

平臺(tái)/插件架構(gòu)模型的主要思想是將待開(kāi)發(fā)的目標(biāo)軟件分為平臺(tái)和插件2部分，如圖1所示［4］。

圖1 平臺(tái)/插件架構(gòu)的基本原理

平臺(tái)所完成的功能是系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)功能，插件所完成的是一系列定制、個(gè)性化的功能，是對(duì)平臺(tái)功能的擴(kuò)展與補(bǔ)充［5－7］。在平臺(tái)/插件軟件架構(gòu)中需定義平臺(tái)擴(kuò)展接口和插件接口，平臺(tái)擴(kuò)展接口實(shí)現(xiàn)插件向平臺(tái)方向的單向通信，插件通過(guò)平臺(tái)擴(kuò)展接口可獲取主框架的各種資源和數(shù)據(jù)。插件接口為平臺(tái)向插件方向的單向通信，平臺(tái)通過(guò)插件接口調(diào)用插件所實(shí)現(xiàn)的功能，讀取插件處理數(shù)據(jù)等［9－11］。

1.2 衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)功能模型

衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)負(fù)責(zé)受理各用戶的任務(wù)需求，針對(duì)各類應(yīng)用模式和特點(diǎn)，綜合統(tǒng)籌規(guī)劃各類資源等，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)任務(wù)的控制執(zhí)行。同時(shí)，負(fù)責(zé)監(jiān)視平臺(tái)狀態(tài)，指揮調(diào)度地面系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行，保障星地系統(tǒng)正常運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的統(tǒng)一規(guī)劃與任務(wù)控制，確保星地資源的高效合理應(yīng)用，主要包括:指揮調(diào)度、任務(wù)規(guī)劃、計(jì)劃制定、衛(wèi)星控制、狀態(tài)監(jiān)視和星地資源管理等6個(gè)分系統(tǒng)。

1.3 插件擴(kuò)展的衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的重用，基于平臺(tái)/插件軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)了支持插件擴(kuò)展的衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)。該平臺(tái)具備任務(wù)管控的基本能力，具備統(tǒng)籌提供用戶需求受理、業(yè)務(wù)運(yùn)行管理、任務(wù)統(tǒng)籌、多星任務(wù)綜合規(guī)劃與優(yōu)化調(diào)度、衛(wèi)星計(jì)劃編排與衛(wèi)星控制、地面站網(wǎng)任務(wù)管理和系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等共性能力。并且，隨著后續(xù)衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)的變化，支持在平臺(tái)上以插件的方式，完成后續(xù)衛(wèi)星任務(wù)管控功能的擴(kuò)充和維護(hù)。

本文設(shè)計(jì)的衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)由軟硬件支撐環(huán)境、基礎(chǔ)平臺(tái)和通用插件組成，如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)組成

軟硬件支撐環(huán)境提供衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)運(yùn)行所需的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、計(jì)算和安控設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施。

基礎(chǔ)平臺(tái)提供任務(wù)、資源相關(guān)的基礎(chǔ)服務(wù)能力，包括平臺(tái)內(nèi)核、任務(wù)管理與調(diào)度服務(wù)和資源管理與調(diào)用服務(wù)。

①平臺(tái)內(nèi)核:提供通用插件和專用插件調(diào)用，維護(hù)插件間的溝通、交互機(jī)制。

②任務(wù)管理與調(diào)度服務(wù):以服務(wù)的形式與任務(wù)管理與調(diào)度插件包進(jìn)行信息交換、流程對(duì)接，共同實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理與調(diào)度功能。

③資源管理與調(diào)用服務(wù):以服務(wù)的形式與各類插件包進(jìn)行信息交換、流程對(duì)接，實(shí)現(xiàn)資源管理與調(diào)用功能。

在基礎(chǔ)平臺(tái)之上，通用插件提供衛(wèi)星任務(wù)管控的基本能力，包括:任務(wù)管理和調(diào)度插件包、任務(wù)統(tǒng)籌與規(guī)劃插件包、計(jì)劃優(yōu)化與編排插件包、控制與管理插件包、業(yè)務(wù)與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視插件包和數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)與集成插件包。

本文設(shè)計(jì)的衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)體系架構(gòu)如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)體系架構(gòu)

物理層提供衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)的底層支撐環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的集中存儲(chǔ)，配置中間件和傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)專用服務(wù)器，提供集中統(tǒng)一、充分共享的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源和終端資源。

服務(wù)層和資源層完成平臺(tái)功能，實(shí)現(xiàn)物理層資源的集中管理和動(dòng)態(tài)調(diào)度，搭建可繼承、可擴(kuò)展集成服務(wù)總線架構(gòu)，提供平臺(tái)安全控制策略和環(huán)境。

業(yè)務(wù)層基于基礎(chǔ)層提供的衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)所需的各類通用插件的封裝發(fā)布和集成調(diào)用，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的核心業(yè)務(wù)能力。

插件層在衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)基礎(chǔ)之上，提供系統(tǒng)集成與擴(kuò)展必需的能力，并通過(guò)研發(fā)專業(yè)插件，調(diào)用業(yè)務(wù)層各類業(yè)務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)滿足使用要求的任務(wù)管控系統(tǒng)功能。

2 需要解決的問(wèn)題

2.1 衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于統(tǒng)籌星地資源，提高資源利用率的要求，衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)將管理和控制由多種類型、多種型號(hào)和多顆衛(wèi)星組成的航天資源，不能再按照“一星一系統(tǒng)”進(jìn)行建設(shè)，必須對(duì)現(xiàn)有衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成，使得系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)展性，滿足星地資源統(tǒng)一分配、任務(wù)統(tǒng)一控制、接口和流程統(tǒng)一設(shè)計(jì)的要求。因此，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)需支持業(yè)務(wù)重構(gòu)和靈活擴(kuò)充，是亟需解決的問(wèn)題之一。

2.2 任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題模型及求解算法

任務(wù)規(guī)劃是衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)需要解決的核心問(wèn)題，而隨著我國(guó)衛(wèi)星數(shù)量的增加，任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題涉及的衛(wèi)星資源大大增加。除此之外，面臨的任務(wù)需求也由點(diǎn)目標(biāo)偵察擴(kuò)展多目標(biāo)的聯(lián)合偵察。因此，相對(duì)于以往單星的點(diǎn)目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題來(lái)說(shuō)，新時(shí)期的衛(wèi)星偵察任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題，無(wú)論是在技術(shù)創(chuàng)新性還是問(wèn)題規(guī)模上都面臨著全新的挑戰(zhàn)［12－15］。

解決這一問(wèn)題可以在面向多種復(fù)雜任務(wù)的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)星地資源的統(tǒng)籌優(yōu)化調(diào)度，從而充分發(fā)揮多星聯(lián)合偵察效能，滿足日益復(fù)雜的任務(wù)需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 通用化任務(wù)管控功能平臺(tái)設(shè)計(jì)

抽取衛(wèi)星任務(wù)管控的共性功能，采用“平臺(tái)+插件”的方式構(gòu)建支持插件擴(kuò)展的衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)。平臺(tái)負(fù)責(zé)插件的管理，為插件提供公共功能;插件負(fù)責(zé)具體業(yè)務(wù)功能，并根據(jù)平臺(tái)規(guī)定的接口規(guī)范進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，插件可以隨時(shí)加載到平臺(tái)并被平臺(tái)識(shí)別。通過(guò)統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，完成平臺(tái)插件的應(yīng)用集成，隨著后續(xù)衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)的變化，在衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)上以插件化的方式，完成后續(xù)衛(wèi)星任務(wù)管控功能的擴(kuò)充和維護(hù)。

3.2 多星多任務(wù)聯(lián)合規(guī)劃技術(shù)

提出分級(jí)分類規(guī)劃的思想，分析用戶需求的影響域，建立多級(jí)任務(wù)規(guī)劃?rùn)C(jī)制分層進(jìn)行規(guī)劃。每層有各自獨(dú)立的規(guī)劃目標(biāo)和約束條件，上層規(guī)劃的結(jié)果作為下層規(guī)劃的要求，對(duì)下層任務(wù)規(guī)劃產(chǎn)生約束作用，上層完成下層各實(shí)體之間任務(wù)的協(xié)調(diào)調(diào)度。分層規(guī)劃將復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行集中統(tǒng)籌分配，分布式處理，大大減低了問(wèn)題的復(fù)雜度與相關(guān)性。

4 系統(tǒng)測(cè)試和結(jié)果分析

在衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了任務(wù)管控平臺(tái)基礎(chǔ)功能插件開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，包括集成框架插件、數(shù)據(jù)訪問(wèn)插件、權(quán)限管理插件、分布式消息隊(duì)列插件、BPEL引擎插件、日志插件和報(bào)表插件等。

針對(duì)平臺(tái)/插件體系架構(gòu)，開(kāi)發(fā)了任務(wù)管控平臺(tái)插件倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)，可以對(duì)衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的插件進(jìn)行有效的管理(包括插件的分類管理和插件的版本管理)，并能通過(guò)Web形式共享現(xiàn)有插件(包括插件下載和更新、插件的使用手冊(cè)等)，衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)插件倉(cāng)庫(kù)如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)插件倉(cāng)庫(kù)

針對(duì)各型號(hào)衛(wèi)星的能力等約束條件等剝離資源服務(wù)、任務(wù)規(guī)劃算法等通用插件，形成衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)通用插件包;針對(duì)各型號(hào)衛(wèi)星類型、工作模式和軌道特性，提煉個(gè)性化專用插件，組成衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)專用插件包。在此基礎(chǔ)之上，統(tǒng)籌考慮衛(wèi)星資源、地面資源，完成衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)搭建，如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)集成界面

從圖4中可以看出，衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)插件倉(cāng)庫(kù)具備對(duì)開(kāi)發(fā)的插件進(jìn)行分類管理的能力，具備插件說(shuō)明文檔和插件信息的可視化編輯能力，方便插件的維護(hù)等日常操作。

從圖5中可以看出，衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)具備二維和三維可視化展示衛(wèi)星觀測(cè)范圍、觀測(cè)時(shí)間的能力;具備可視化展示接收、測(cè)控、中繼和傳輸?shù)鹊孛尜Y源的能力;具備指揮調(diào)度、任務(wù)規(guī)劃、計(jì)劃制定和衛(wèi)星控制等管控的基本能力;具備統(tǒng)籌星地資源進(jìn)行聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃的能力;具備依據(jù)時(shí)間軸進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和計(jì)劃的仿真能力;對(duì)人機(jī)交互界面、平臺(tái)的智能化操作進(jìn)行大幅優(yōu)化，提高了星地資源的利用率。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)衛(wèi)星任務(wù)管控系統(tǒng)復(fù)用率低、系統(tǒng)穩(wěn)定性差和星地資源利用率不足等問(wèn)題，在平臺(tái)/插件軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合衛(wèi)星任務(wù)管控的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了支持插件擴(kuò)展的衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)。在衛(wèi)星任務(wù)管控平臺(tái)中，插件具有熱插拔、物理隔離和動(dòng)態(tài)特性，插件互相隔離，不同的插件可以有不同的版本，獨(dú)立開(kāi)發(fā)、部署和測(cè)試，且對(duì)插件的更改不會(huì)影響到其他插件的行為，方便維護(hù)升級(jí)。

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